LABORATORIO DE TERMODINÁMICA II Semestre marzo 2010 – agosto 2010 MEDICIÓN DE TEMPERATURA  Y USO DE CARTAS PSICROMÉTRICAS.     

MEDICIÓN DE TEMPERATURA  Para el día de realización de la práctica, se deberá estudiar la información del presente documento, y además, tomando como referencia el libro de Termodinámica (Yunus A. Çengel, Michael A. Boles) el apartado correspondiente a  Temperatura y la Ley Cero de la Termodinámica, y Escalas de temperatura.  

Dispositivos de medición de temperatura. Todos  los  dispositivos  empleados  para  la  medición  de  temperatura  utilizan  como principio  básico  el  cambio  de  una  propiedad  en  un  material  relacionada  con  la temperatura y que permita cuantificarla.  Algunos dispositivos utilizan principios  simples para  su  funcionamiento, y en general propiedades  mecánicas  (termómetros  de  vidrio,  bimetálicos,  de  dilatación);  o propiedades eléctricas  (termocuplas,  termo  resistencias,  termistores, etc.). Varios de los  instrumentos que utilizan propiedades eléctricas son usados como  transductores, es decir, permiten  la transmisión de  la  información a un sistema de control como un computador o instrumentos de medición digitales.  

Termómetros de vidrio. Utilizan  un  tubo    de  vidrio  hueco  por  el  cual  puede  circular  un  fluido  con  una  alta sensibilidad al cambio volumétrico debido a un cambio en su temperatura. Consta de un depósito lleno de dicho fluido, conocido comúnmente como bulbo.   El fluido utilizado es quien limita el rango de medición del termómetro, según su punto de fusión y ebullición. El mercurio por ejemplo permite un rango de medida de ‐35 a 280 C. 

Termómetros bimetálicos. La mayoría  de materiales  presentan  la  propiedad  de  dilatarse  ante  un  cambio  de temperatura.  En  general,  su  longitud  se  ve  incrementada  o  disminuida  proporcionalmente a un aumento o descenso de su temperatura, respectivamente.la cantidad que un material cambia en longitud con la temperatura, se conoce como coeficiente de expansión lineal o coeficiente de expansión térmica o coeficiente de dilatación lineal, etc. El termómetro bimetálico utiliza dos materiales con diferente coeficiente de expansión lineal colocados uno junto a otro y con un extremo fijo, de tal manera que ante un aumento de temperatura uno de los dos materiales variará su longitud en mayor medida que el otro haciendo que se doble en forma de un arco (Figura 1). Mediante este método, funcionan la mayoría de los termostatos o interruptores de temperatura.

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 Figura 1. Dilatación de un par bimetálico [5]  

 Además de  los termostatos, se pueden tener termómetros basados en este principio. En este termómetro (Figura 2) se utiliza un par bimetálico en forma de hélice, fijo por un lado y solidario a una aguja indicadora por el otro. Dependiendo de la variación de temperatura,  la  hélice  tenderá  a  enrollarse  o  desenrollarse  haciendo  que  la  aguja indique sobre una escala graduada la temperatura medida.  

Figura 2 Termómetro bimetálico [5]   

Termocuplas. Cuando dos alambres compuestos por materiales disímiles se juntan por sus extremos, y uno de  los dos  extremos  es  calentado,  se produce un  flujo de  corriente  continua dentro de este circuito (Figura 3). Este fenómeno lleva el nombre de Seebeck gracias a Thomas Seebeck, quien realizó este descubrimiento en 1821.  

 Figura 3 Efecto Seebeck [1] 

 

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Si el circuito de la Figura 3, se abre por el extremo de la parte izquierda, el voltaje que en ese momento puede ser   medido (Voltaje eAB en  la Figura 4) es una función de  la temperatura de la juntura del lado derecho y de la composición de los dos metales. 

 Figura 4 Medición de voltaje en la termocupla [1] 

Si se recurre a un voltímetro para medir el voltaje eAB, se crearan nuevas  junturas de materiales disímiles en las uniones de los alambres que conforman la termocupla y los terminales del voltímetro, con lo que el voltaje medido no será eAB sino una diferencia de temperatura entre las junturas creadas como se muestra en la Figura 5.  

 Figura 5 Medición del voltaje generado en la termocupla con un voltímetro [1] 

Para solucionar este problema en  la medición se han desarrollado diversos métodos. Sin  embargo,  comúnmente  se  recurre  a  la  aplicación  de  las  leyes  empíricas  de  las termocuplas  para  realizar  la  medición  de  la  temperatura  deseada.  Estas  leyes  se desarrollarán más adelante. Uno de los métodos más comunes consiste en utilizar una juntura de referencia, que por  lo general   consiste en colocar un baño de hielo y agua a  la juntura de referencia para que el voltaje generado por la nueva juntura no afecte al circuito y utilizando un alambre de cobre adicional se pueda obtener la medida del voltaje V correspondiente a la temperatura T de la juntura J1 como se muestra en la Figura 6. 

 

 Figura 6 Referencia externa [1] 

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El voltaje medido V es el correspondiente a la temperatura de la juntura J1 (V1) siempre y cuando los terminales del voltímetro se encuentren a la misma temperatura y que la juntura de referencia se encuentre a 0 C. Nótese  que  el  valor  de  V2  no  es  0V,  sino  un  valor  de    voltaje  en  función  de  la temperatura que denota 0 C. De  esta manera  se  logra  que  el  voltaje medido  sea  dependiente  únicamente  de  la temperatura de la juntura J1. 

Codificación de Termocuplas y Extensiones  Dado que todos los materiales disímiles se comportan de la manera antes descrita, se pueden  obtener  una  gran  cantidad  de  configuraciones  de materiales  disímiles  para medir la temperatura. Sin embargo, existe una codificación que identifica a las mejores parejas  de  materiales  para  termocuplas.  Esta  codificación  permite  diferenciar  e identificar  los  diferentes  tipos  de  termocuplas  según  un  código  de  colores  que depende del origen de  las  termocuplas. En nuestro  caso utilizaremos  la  codificación norteamericana.  Las extensiones de las termocuplas, son también pares bimetálicos, pero de materiales no  tan  costosos  como  los  que  componen  a  las  termocuplas,  y  que  pueden  ser utilizados cuando se necesitan grandes longitudes de cable entre el punto de medición y  el  centro  de  recopilación  de  información  de  temperatura.  La  extensión  pude conectarse directamente a la termocupla, respetando su polaridad, sin que se altere el valor de la medición.   Para  poder  diferenciar  una  termocupla  de  una  extensión,  y  los  diferentes  tipos  de termocuplas, se utilizará en el laboratorio (y en la mayoría de aplicaciones del mercado local) el código de colores ANSI, que se presenta a continuación.  Como  se  puede  observar  en  la  Figura  7,  la  identificación  del  tipo  de  termocupla depende del color del recubrimiento de los alambres. El revestimiento indica si se trata de una termocupla o de una extensión.  Una  extensión  puede  ser  utilizada  como  termocupla  únicamente  en  el  rango  de temperaturas que se indica en la tabla.    

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 Figura 7 Código de colores ANSI para temocuplas y extensiones [4] 

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Leyes de las termocuplas A  continuación  se detallan  las  leyes de  las  termocuplas, por medio de  las  cuales  se  puede entender y diagnosticar los circuitos. Se utilizará como ejemplo una termocupla compuesta por un alambre de hierro Fe y uno de constantán C. 

Ley de los metales intermedios 

 Figura 8 Ley de los metales intermedios [1] 

Si  se  inserta  un  nuevo material  (alambre  de  cobre)  entre  los  alambres  de  hierro  y constantán de una termocupla (Figura 8), el voltaje obtenido no cambiará, sin importar la temperatura a la que se encuentre el nuevo material. El voltaje V es el mismo que el de la termocupla Fe‐C a la temperatura T. 

Ley de las temperaturas interiores 

 Figura 9 Ley de las temperaturas interiores [1] 

El voltaje de salida V será el de una termocupla Fe‐C a la temperatura T, sin importar la fuente de calor externa que s e aplica a cualquiera de los alambres de medición. 

Ley de los metales insertados 

 Figura 10 Ley de los metals insertados [1] 

El  voltaje V será el de una termocupla Fe‐C a la temperatura T dado que los terminales de platino están a la misma temperatura. Las dos termocuplas creadas por el alambre de platino (Fe‐Pt y Pt‐Fe) actúan en oposición.     

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RTD Simultáneamente a los descubrimientos de Seebeck, Sir Humprey Davy anunció que la resistividad de los metales mostraba una marcada dependencia de la temperatura, de tal manera que si se produce un aumento de  temperatura en el metal, se producirá también un aumento de  la resistencia. Bajo este principio se empezaron a desarrollar los primeros RTD’s (Resistance Temperature Detector) que consistían en filamentos de platino enrollados en forma de espiral sobre una matriz cerámica.  

                     Figura 11 Primeros RTD [1] 

  Posteriormente se desarrollarían RTD’s más avanzados que constan de un filamento de platino dentro de un sustrato cerámico sellado. Esto reduce el tamaño del sensor de temperatura, bajo el criterio de que mientras más alta resistividad tenga el metal, se requiere menor cantidad del mismo para un determinado rango de medición. De igual manera,  mientras  mayor  sea  la  resistencia,  mayor  es  la  precisión  que  se  puede  obtener.  

 Figura 12 RTD de filamento de platino [1] 

La  medición  de  temperatura  con  estos  dispositivos  conlleva  algunos  problemas. Debido a que  requiere de una alimentación de voltaje, y de una manera efectiva de medir las variaciones de la intensidad que circula por el circuito, hace que los mismos terminales  de  medición  generen  resistencias  indeseadas  o  ruidos  que  alteran  las mediciones. Para  solucionar  ese  problema  se  ha  recurrido  a  métodos  que  incluyen  el  uso  de puentes de Wheatstone  y de sistemas de tres cables para obtener medidas precisas.  

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 Figura 13 Puentes de Wheatstone utilizados en RTD's [1] 

Termistores Al  igual que el RTD el  termistor es un medidor sensible de  temperatura. Mientras  la termocupla  es  el método más  versátil  para medir  temperatura,  el  RTD  es  el más estable, el termistor es el más sensible.  

 Figura 14 Sensibilidad de instrumentos de medición de temperatura [1] 

Generalmente,  los   termistores son   construidos con materiales semiconductores con un coeficiente de temperatura negativo, es decir, ante un aumento de temperatura se produce un decremento de  resistencia. Esto permite detectar diminutos cambios de temperatura  que  los  otros  métodos  no  pueden  detectar.  Además,  pueden  tener tamaños  muy  reducidos  con  lo  que  responden  rápidamente  ante  cambios  de temperatura. 

Sensores monolíticos  lineales de temperatura  

Estos medidores de  temperatura  son  circuitos  integrados  (IC  sensosr) que permiten obtener  una  mayor  linealidad  en  la  relación  temperatura  –  resistencia  eléctrica. Pueden  ser  usados  como  transductores  para  obtener  directamente  la  información mediante salidas de voltaje o amperaje en un computador o en un sistema de control. 

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 Figura 15 Sensores lineales [1] 

Comparación entre sensores de temperatura 

 Figura 16 Comparación entre sensores de temperatura [1] 

   

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Procedimiento de realización de la práctica En  la  práctica  correspondiente  a medición  de  temperatura  se  llevarán  a  cabo  las siguientes actividades: 

1. Realizar el siguiente circuito 

Material A Material C

Material C

mVMaterial BT1

T2

 Figura 17 Circuito de medición de temperatura [Fuente propia] 

 T1: temperatura del punto caliente. T2: Temperatura de referencia 0 C. A, B: Materiales de la termocupla. C: Alambre de cobre. mV: Termómetro digital.  

2. Para  conseguir T1,  se utilizará agua en un matraz  y  se  la  llevará al punto de ebullición. 

3. La temperatura de referencia T2 se consigue con una mezcla de hielo y agua (0 C) 

4. Se  realizará  una  juntura  en    la  termocupla  para  medir  la  temperatura  de ebullición del agua, y una adicional entre cada alambre de  la  termocupla y el alambre de cobre como se muestra en la Figura 17. 

5. La juntura de la termocupla se sumergirá en el agua hirviendo. 6. La juntura entre la termocupla y el alambre de cobre se sumergirá en la mezcla 

de agua y hielo. 7. Los extremos libres del alambre de cobre se conectarán al termómetro digital. 

El termómetro digital deberá tener activada  la referencia externa  (interruptor en la parte posterior del equipo) 

8. Se  tomarán  medidas  de  temperatura  y  de  mili  voltaje  con  los  tipos  de termocupla o extensión provistos por el laboratorio. 

9. Luego  se    compararán    los  datos  obtenidos  de  temperatura  con  valores tabulados de mili voltaje. 

10. Para  utilizar  la  referencia  interna  del  termómetro  digital,  se  conecta directamente  la  termocupla  al    termómetro  suspendiendo  la  utilización  del alambre de cobre y la mezcla de agua y hielo. 

11. Se repite el paso 7 para el nuevo estado del equipo. 12. Se desconectarán todos  los equipos y se ubicarán en sus posiciones originales 

dando por terminada la práctica. 

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USO DE CARTAS PSICROMÉTRICAS Para el día de realización de la práctica, se deberá estudiar la información del presente documento, y además, tomando como referencia el libro de Termodinámica (Yunus A. Çengel, Michael  A.  Boles)  los  apartados  correspondientes  a:  Humedad  específica  y relativa del aire, temperatura de bulbo húmedo y la carta psicrométrica.   

Descripción de la práctica  La  carta  pscicrométrica  presenta  variaciones  en  su  configuración  de  acuerdo  a  la presión,  y  por  consiguiente  a  la  altura  del  lugar  geográfico  donde  se  requiera establecer  las  propiedades  del  aire.  De  tal  manera  que  una  carta  psicrométrica referente a la ciudad de Guayaquil, que se encuentra al nivel del mar (14.7 psia), será diferente a una carta psicrométrica adecuada para  la ciudad de Quito, situada a 2800 msnm (10.4 psia aproximadamente).  Para determinar las propiedades del aire en una carta psicrométrica, se deben conocer dos datos que permitan determinar un punto dentro de  la carta. Se podrían escoger cualquier  par  de  propiedades  para  determinar  dicho  punto,  pero  la  manera  más conveniente es  tomar  las  temperaturas ambientales de bulbo  seco y bulbo húmedo para  con  ello  conocer  propiedades  como  humedad  relativa,  contenido  de  agua, volumen  específico  o  entalpía  específica.  Si  se  requieren  condiciones  específicas  de temperatura y humedad, también se puede determinar  las demás propiedades  luego de establecer un punto específico dentro de la carta.  Para llevar a cabo la práctica se llevarán a cabo las siguientes actividades: 

1. Tomar la temperatura de bulbo seco con un termómetro de mercurio. 2. Colocar  una  gasa  o  algodón  en  el  bulbo  otro  termómetro  de  mercurio  y  

humedecerlo. 3. Mover el termómetro de manera oscilatoria hasta que se estabilice el descenso 

de la temperatura. 4. Una vez que la temperatura se ha estabilizado, tomar la lectura de temperatura 

de bulbo húmedo. 5. Con los datos de las temperaturas tomadas, trazar un punto de intersección en 

la carta psicrométrica y leer los valores correspondientes a: ‐ humedad relativa ‐ contenido de agua ‐ volumen específico ‐ entalpía específica 

 En la práctica se utilizará una carta psicrométrica correspondiente a la ciudad de Quito, y  en  cada  una  de  las  prácticas  de  laboratorio  posteriores  se  determinarán  las condiciones ambientales siguiendo el mismo procedimiento.    

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BIBLIOGRAFÍA  

1. AGILENT TECNOLOGIES; PRACTICAL TEMPERATURE MEASUREMENS; Aplication note 290; www.agilent.com 

2. ÇENGEL Y. ET ALL; TERMODINÁMICA; Cuarta Edición; Mc Graw Hill; 2002. 3. http://www.sensorsmag.com/sensors/temperature/temperature‐

measurement 4. OMEGA HANDBOOK. 5. www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/  

  NOTA:  Este  material  es  de  uso  exclusivo  de  los  estudiantes  de  Laboratorio  de Termodinámica II correspondientes al semestre 2010‐2 (marzo 2010 – agosto 2010)                                  G2